Qu’est-ce que le guide d’onde diffractif AR ?

Le guide d'ondes diffractif est une solution d'affichage optique grand public pour les lunettes AR. De nombreux appareils AR adoptent cette technologie. Pourquoi les principaux fabricants de matériel AR sont-ils si friands de guides d’ondes diffractifs ? Qu’est-ce qu’un guide d’onde diffractif exactement ?

01 Définition du guide d'onde diffractif

Pour mieux comprendre, nous pouvons diviser le terme « guide d'onde diffractif » en deux parties : diffraction et guide d'onde.

En règle générale, nous savons que la lumière peut se propager de trois manières : propagation en ligne droite, réflexion et réfraction. Par exemple, les viseurs infrarouges, les périscopes et la façon dont une paille semble pliée lorsqu'elle est placée dans l'eau sont tous basés sur ces trois principes. La diffraction, quant à elle, est la quatrième voie par laquelle la lumière peut se propager.

Au XVIIe siècle, le professeur de mathématiques italien Francesco Grimaldi a découvert et inventé le terme « diffraction », qui vient du mot latin « diffringere » signifiant « briser en morceaux ». Cela fait référence à la direction originale de propagation des ondes qui est « brisée » et pliée dans différentes directions.

Dans ses expériences, il a fait passer un faisceau de lumière à travers deux petites ouvertures et sur un écran dans une pièce sombre, observant un motif de rayures claires et sombres sur les bords de la projection. Par conséquent, la diffraction fait référence au phénomène physique dans lequel la direction de propagation des ondes change lorsqu’on rencontre des obstacles ou des fentes.

Étant donné que les effets de diffraction notables ne peuvent être observés que lorsque la taille d'un obstacle ou la largeur d'une fente est comparable ou inférieure à la longueur d'onde de l'onde, il est souvent difficile d'observer la diffraction de la lumière dans notre vie quotidienne. Cependant, sous certaines conditions particulières, on peut l’observer. Par exemple, le phénomène de « gloire » observé dans le ciel, qui apparaît comme un halo coloré autour des ombres, est le résultat de la diffraction de la lumière du soleil à travers de petites gouttelettes d'eau et des cristaux de glace dans les nuages.

Après avoir discuté de la diffraction, qu’est-ce qu’un guide d’ondes exactement ?

Dans notre monde, il existe différents types d’ondes, notamment les ondes lumineuses, les ondes sonores et les ondes électromagnétiques.

Un guide d'ondes est un appareil qui transmet ces ondes d'un endroit à un autre. Ainsi, un guide d’ondes lumineuses est un milieu ou un dispositif qui guide les ondes lumineuses lors de leur propagation.

Avec une compréhension de la diffraction et des guides d’ondes, nous pouvons définir un guide d’ondes diffractif : en termes simples, il s’agit d’un milieu qui utilise la diffraction de la lumière pour guider les ondes lumineuses lors de leur déplacement.

Guide d'onde diffractif

Pour expliquer davantage, un guide d'onde diffractif est conçu pour utiliser les propriétés de diffraction des réseaux pour créer un « chemin lumineux », permettant à la lumière de se propager le long d'un itinéraire prédéterminé et guidant la lumière émise par un système de micro-projection dans l'œil humain.

Le réseau de diffraction, un élément optique à structure périodique, est le composant central du guide d'onde diffractif. En fonction du type de réseau utilisé, les guides d'ondes diffractifs peuvent être classés en deux types : les guides d'ondes à réseau à relief de surface et les guides d'ondes à réseau holographique en volume.

02 Guide d'ondes à réseau de relief de surface

Les réseaux en relief de surface sont créés en « sculptant » des pics élevés et des vallées basses sur la surface d'un matériau grâce à des processus tels que la photolithographie et la gravure. Cette technique de fabrication permet d'obtenir une structure périodique qui répond aux performances optiques requises.

Ces réseaux manipulent la lumière qui interagit avec eux, permettant une diffraction et un guidage efficaces de la lumière dans le guide d'ondes. Les réseaux à relief de surface sont largement utilisés en raison de leur simplicité de fabrication et de leur capacité à être intégrés dans divers systèmes optiques.

Image SEM d'un réseau de relief de surface

Guide d'ondes à réseau de relief de surface pour guider la lumière émise par un système de micro-projection (moteur optique) dans l'œil humain, la lumière doit passer par les processus d'entrée et de sortie. Plus précisément, la lumière émise par le moteur optique pénètre dans le guide d'ondes à travers le réseau d'entrée, se propage par réflexion interne totale à l'intérieur du guide d'ondes plat et est finalement transmise à l'œil humain par le réseau de sortie. Les réseaux d'entrée et de sortie utilisés ici sont des réseaux à relief surfacique.

Étant donné que les caractéristiques nanométriques du réseau sont comparables à la longueur d’onde de la lumière, la lumière ne doit pas être considérée comme des rayons ordinaires mais plutôt comme des ondes électromagnétiques. Lorsque la lumière frappe le réseau, elle subit une diffraction multi-ordres.

Par exemple, si le moteur optique émet une lumière monochromatique (comme la lumière verte), cette lumière sera divisée en plusieurs faisceaux se déplaçant dans des directions différentes (ordres de diffraction) lorsqu'elle frappera le réseau d'entrée. L'un de ces ordres de diffraction non nul (par exemple, ordre +1) satisfera la condition de réflexion interne totale du guide d'onde plat, lui permettant d'entrer et de se propager à travers le guide d'onde via une réflexion interne totale. Cet ordre de diffraction spécifique est appelé ordre de fonctionnement du guide d'onde diffractif. En contrôlant avec précision des paramètres tels que la période, le rapport cyclique, la profondeur de rainure et l'angle de la paroi latérale du réseau, la majorité de l'énergie lumineuse peut être concentrée dans l'ordre de fonctionnement du guide d'onde diffractif, couplant ainsi efficacement la majeure partie de l'énergie lumineuse dans le guide d'onde. Ce processus est connu sous le nom de processus de couplage du guide d’ondes diffractif.

De manière correspondante, lorsque la lumière qui se propage par réflexion interne totale dans le guide d'onde diffractif rencontre le réseau de sortie, elle produira également plusieurs ordres de diffraction. L’un de ces ordres non nuls sortira du guide d’onde diffractif dans une direction spécifique, pour ensuite entrer dans l’œil humain. C'est ce qu'on appelle le processus de découplage du guide d'onde diffractif.

Si le moteur optique émet de la lumière colorée, en plus des processus susmentionnés, d’autres complexités seront impliquées. En raison des différentes longueurs d'onde des différentes couleurs de lumière, leurs efficacités de diffraction seront également différentes. Par conséquent, lors de la propagation, l’énergie de chaque couleur de lumière peut être perdue à des degrés divers, entraînant une dispersion. En optimisant divers paramètres du réseau, celui-ci peut contrôler avec précision l'énergie de différentes longueurs d'onde de lumière, minimisant ainsi les problèmes de dispersion et nous permettant finalement de voir des images avec des couleurs précises.

Pour résoudre les problèmes complexes de diffraction des réseaux, la société a développé une suite complète de logiciels de calcul pour différents types de réseaux, basée sur la méthode modale de Fourier (FMM), qui permet de calculer rapidement et précisément les problèmes de diffraction liés aux réseaux.

De plus, l'entreprise possède un centre de traitement principal de réseau entièrement équipé et un système complet de production en série de guides d'ondes diffractifs, permettant une coordination étroite entre la conception et la fabrication. Lors de la conception des caillebotis, il est possible de prendre en compte les capacités de traitement du maître et les techniques de production, permettant ainsi des ajustements et des optimisations en temps opportun lorsque des problèmes surviennent, ce qui entraîne un cycle d'itération rapide du produit.

Le guide d'onde diffractif, très apprécié par les principaux fabricants de matériel AR, fait spécifiquement référence au guide d'onde à réseau de relief de surface. Ses avantages incluent une conception mince, un grand champ de vision, une large plage de mouvements oculaires et de faibles coûts de production de masse, ce qui en fait largement considéré comme la voie technologique d'affichage dominante dans l'industrie de la réalité augmentée.

Guide d'ondes à réseau holographique à 03 volumes

Le processus de propagation de la lumière dans un guide d’ondes à réseau holographique volumique est fondamentalement similaire à celui dans un guide d’ondes à réseau en relief en surface.

La principale différence réside dans la manière dont le réseau holographique volumique est créé. Au lieu d'être « sculpté », le réseau holographique volumique est formé en exposant un film photorésistant sur un substrat à des motifs d'interférence créés par deux faisceaux de lumière cohérents. Ce processus génère une distribution spatiale périodique avec des indices de réfraction variables au niveau moléculaire. Les réseaux holographiques en volume fonctionnent généralement dans des conditions de diffraction de Bragg.

Que sont les conditions de diffraction de Bragg ?

En 1912, le scientifique allemand Max von Laue découvrit le phénomène de diffraction des rayons X dans les cristaux, jetant ainsi les bases de l'étude de la physique de la diffraction des rayons X. La même année, Lawrence Bragg, grâce à des études répétées au laboratoire Cavendish, a conclu que ce phénomène est un type d'effet de diffraction des ondes.

En 1913, Lawrence Bragg et son père, Henry Bragg, proposèrent conjointement la forme Bragg de diffraction des rayons X (connue sous le nom de diffraction de Bragg). Ils ont découvert que lorsque des ondes de particules subatomiques pénètrent dans un cristal, si la longueur d’onde des ondes de particules est proche de la distance entre les atomes du cristal, les ondes de particules seront diffusées par les atomes à la manière d’un miroir. Cette diffusion se traduira par des interférences constructives selon la loi de Bragg, formant des pics d'ondes concentrés (appelés pics de Bragg). Les conditions de Bragg sont les critères qui doivent être remplis pour qu'une interférence constructive se produise.

Diagramme schématique de la diffraction de Bragg

Basés sur le principe de diffraction de Bragg, lorsque les ondes lumineuses répondent aux conditions de Bragg, les réseaux holographiques en volume peuvent atteindre une efficacité de diffraction très élevée. Cependant, les conditions de Bragg imposent des exigences strictes quant à l’angle et à la longueur d’onde de la lumière incidente. Si ces conditions ne sont pas remplies, l’efficacité de diffraction peut chuter rapidement. Il en résulte que les guides d'ondes à réseau holographique en volume ont du mal à obtenir une bonne uniformité des couleurs, ce qui ne répond pas aux demandes du marché.

Actuellement, les guides d’ondes à réseaux holographiques en volume présentent des lacunes significatives par rapport aux guides d’ondes à réseaux à relief de surface en termes de performances d’affichage, de commercialisation de produits et de support industriel.

04 Résumé

Les guides d'ondes diffractifs AR utilisent les caractéristiques de diffraction des réseaux pour concevoir des « trajets lumineux », permettant à la lumière émise par les systèmes de microprojection d'être dirigée vers l'œil humain. En fonction du type de réseau de diffraction utilisé, les guides d'ondes diffractifs peuvent être classés en guides d'ondes à réseau de relief de surface et en guides d'ondes à réseau holographique en volume.

Les guides d'ondes à réseau de relief en surface offrent des avantages tels qu'être légers, avoir un large champ de vision, une large plage de mouvements oculaires et de faibles coûts de production en série. Par conséquent, ils sont largement considérés comme la technologie d’affichage dominante dans l’industrie de la réalité augmentée. Bien que les guides d'ondes à réseau holographique en volume présentent une efficacité de diffraction très élevée, ils ont du mal à obtenir l'uniformité des couleurs en raison des conditions strictes de diffraction de Bragg et en sont encore aux premiers stades de développement technologique, ce qui nécessite des progrès significatifs pour réaliser des percées.

Avec les progrès technologiques continus et les améliorations du traitement, les guides d'ondes diffractifs AR basés sur des réseaux à relief de surface commencent à entrer sur le marché grand public. On pense qu’à l’avenir, ils offriront des expériences d’affichage AR exceptionnelles à davantage de fabricants de matériel AR.